Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство образования Российской Федерации
⎯⎯⎯⎯⎯⎯∗⎯⎯⎯⎯⎯⎯
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Х.И. ЗАИРОВ
“ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ”
Часть I. “Водно-энергетические ресурсы и их использование”
(электронный учебник для
дистанционно обучающихся студентов IY курса
по специальности 290400 “Гидротехническое строительство”).
Санкт-Петербург, 2004.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
2
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ .......................................................................................................................................3
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................5
1. ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ...................................12
1.1 В
ОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ................................................................................................12
1.2 Т
ИПЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. .................................................................................. 17
1.3 Н
АПОР, РАСХОД И МОЩНОСТЬ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ............................................19
1.4 О
СНОВНЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ................................................................ 23
2. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ........................................................29
2.1 З
АДАЧИ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА ..................................................................................... 29
2.2 О
СНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОКА РЕК ......................................................................................29
2.3 М
ОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА .................................................................................................32
2.4 Т
ИПЫ ВОДОХРАНИЛИЩ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ............................................................................ 34
2.5 П
ОТЕРИ ВОДЫ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩА............................................................................................... 37
2.6 Н
АПОЛНЕНИЕ И СРАБОТКА ВОДОХРАНИЛИЩ..................................................................................39
2.7 В
ОДОХРАНИЛИЩА МИРА И РОССИИ................................................................................................ 39
2.8 В
ИДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ, МОЩНОСТИ И ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ ГЭС...................43
3. РАСЧЕТЫ ГОДИЧНОГО И МНОГОЛЕТНЕГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА РЕК ...........45
3.1 Р
АСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА .................................................................................45
3.2 Р
АСЧЕТЫ ГОДИЧНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА ..............................................................................45
3.3 Г
ОДИЧНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА КОМПЛЕКСНЫМ ВОДОХРАНИЛИЩЕМ.....................................50
3.4 М
НОГОЛЕТНЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА ПО ИНТЕГРАЛЬНОЙ КРИВОЙ ............................................ 51
4. ВИДЫ ГИДРОУЗЛОВ........................................................................................................................54
4.1 О
БЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ........................................................................................................................ 54
4.2 К
ОМПОНОВКА РУСЛОВЫХ ГЭС....................................................................................................... 55
4.3 К
ОМПОНОВКА ПРИПЛОТИННЫХ ГЭС.............................................................................................59
4.4 К
ОМПОНОВКА ДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС............................................................................................ 64
5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЕРИВАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ..........................................66
5.1 П
РЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ДЕРИВАЦИООНЫХ ГЭС........................................................ 66
5.2 К
ОМПОНОВКИ ГОЛОВНОГО УЗЛА..................................................................................................... 67
5.3 К
ОМПОНОВКИ СТАНЦИОННОГО УЗЛА............................................................................................. 72
5.4 У
РАВНИТЕЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ .......................................................................................................73
ЛИТЕРАТУРА .........................................................................................................................................81
ПРИЛОЖЕНИЯ ......................................................................................................................................82
1. Р
ЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА РЕКИ В СРЕДЕ AUTOCAD ........................................................................... 82
2. Т
ЕСТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ “ВОДНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ”.................. 95
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Водная энергия рек, относящаяся к возобновляемым источникам
энергии, считается в настоящее время основной энергией поверхностного
стока.
По установленной мощности ГЭС и выработке электроэнергии
Россия находится на 5 месте после США, Китая, Канады и Бразилии.
Разработана «Концепция кратко и среднесрочной перспективы
строительства приоритетных энергетических объектов, сооружаемых с
участием инвестиционных средств РАО «
ЕЭС России». Прогнозируется, что
к 2015 году установленная мощность всех гидроэлектростанций России
составит ~ 55.5 млн.кВт, а выработка энергии – 201.2 млрд. кВт·ч в год, что
больше, чем в 2000 году соответственно на 26 и 28 процентов.
На инженерно-строительном факультете СПбГПУ уже несколько
лет ведется обучение с использованием электронных учебных пособий на
очном и дистанционном
формах обучения. Для студентов, обучающихся с
использованием дистанционных технологий, по окончании 4-х летнего курса
учеба завершается с очной досдачей всех дисциплин, курсовых и
лабораторных работ, которые не могли быть пройдены дистанционно. В
качестве одной из специальностей, по которой выпускаются студенты IV
курса, обучающиеся дистанционно, выбрана специальность 290400
«Гидротехническое строительство», в рамках которой
студенты должны
освоить курс «Гидроэлектростанции».
Курс «Гидроэлектростанции и гидромашины» - таково полное
наименование дисциплины по новому «Государственному образовательному
стандарту Высшего профессионального образования» Министерства
образования Российской Федерации. Этот курс читается студентам очного
обучения ИСФ СПбГПУ по специальности «Гидротехническое
строительство» в VIII (часть I) и IX (часть II) семестрах.
Для дистанционно обучающихся студентов ниже представлен в
качестве
учебного пособия электронный учебник (конспект лекций) по курсу
«Гидроэлектростанции» часть I «Водно-энергетические ресурсы и их
использование». В этой части курса рассматриваются основные схемы
использования водной энергии; расчет годового и многолетнего
регулирования стока рек; схемы, состав сооружений и компоновка речных
энергетических гидроузлов и т.д. Приведены методические указания по
выполнению курсовой
работы «Регулирование стока реки» с использованием
AutoCad (составлены доц. к.т.н. Кудряшевой И.Г), а так же тексты по
контролю пройденного материала (приложения 1 и 2).
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
4
На V курсе очного обучения эти студенты продолжают обучение
данной дисциплины по части II «Гидроэнергетическое и
электроэнергетическое оборудование ГЭС, их зданий и компоновок».
Этот курс лекций составлен профессором кафедры
«Возобновляемые источники энергии и гидроэнергетика» СПбГПУ
Заировым Х.И. В качестве основного источника использован учебник
«Использование водной энергии» («Энергоатомиздат», М., 1995) под
редакцией
академика РАН, д.т.н., проф. Ю.С. Васильева. Другие
использованные материалы приведены в списке литературы.
Курс «Гидроэлектростанции» в составе «Водно-энергетические
ресурсы и их использование» (часть I) и «Гидроэнергетическое и
электроэнергетическое оборудование ГЭС, их зданий и компоновок»
(частьII) занимает особое место среди дисциплин, обеспечивающих
подготовку бакалавров, инженеров и магистров
по направлению
«Строительство». Он является фундаментальным, обобщающим курсом в
первую очередь для студентов – гидротехников.
Основная задача курса – подготовить и вооружить будущих
специалистов знаниями, позволяющими при решении народнохозяйственных
задач, предусматривать использование энергии воды для выработки на
крупных, средних и малых гидроэлектростанциях.
Полученные знания по курсу «Гидроэлектростанции»
применяются студентами при курсовом
и дипломном проектировании.
Большую помощь при подготовке курса лекций оказали Созинова
Т.А. и Гаркуша И.Г., которым автор выражает глубокую благодарность.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
5
ВВЕДЕНИЕ
ХХ столетию принадлежат многие крупнейшие достижения
человечества. К числу их безусловно относится формирование
гидроэнергетики как науки, так и отрасли. Фундаментальные
основы гидроэнергетической науки особенно активно развивались в бывшем
СССР, США, КНР, Великобритании, Германии и Франции. В этих странах
изданы, в частности, основные труды по гидроэлектрическим станциям и
гидроэнергетическому машиностроению. Процесс этот
продолжается и
поныне.
Гидроэнергетика составляет неотъемлемую часть энергетической базы
народного хозяйства страны. Для создания оптимальных условий
обеспечения страны электроэнергией и удовлетворения потребностей
человека используются все энергетические ресурсы - гидроэнергетические,
органические и ядерные ресурсы.
Гидроэнергетические ресурсы относятся к
возобновляющимся источникам энергии.
Принципиальное отличие их от невозобновляющихся энергоресурсов - угля,
нефти, природного газа - состоит
в том, что они сохраняются для будущих
поколений человечества и тем самым представляют собой богатство страны
на многие годы.
Использование водной энергии для нужд хозяйственной деятельности
человека осуществляется при помощи гидроэнергетической установки, ГЭУ,
предназначенной для трансформации различных видов энергии. На рисунке
В.1 показана общая схема ГЭУ.
Вода, обладающая энергией давления или
механической энергией, по
напорному водоводу перемещается и трансформируется в механическую
энергию ротора турбины. Эта энергия передается на ротор электрической
машины, который механическую энергию вращения трансформирует в
электрическую.
Для транспорта электрической энергии к потребителям напряжение
повышается в трансформаторе и затем по линии электрической передачи она
поступает в электроэнергетическую систему. Так выглядит
общая схема
гидроэлектростанции, ГЭС, которая является разновидностью ГЭУ.
Свойства ГЭУ:
- ГЭУ обладает свойством реверсивности, т.е. возможностью
трансформировать водную энергию и в обратном направлении по
отношению ГЭС. Электрическая энергия поступает из энергетической
системы через трансформатор (понижающий) в двигатель, где
6
Рис. B.1. Схема гидроэнергетической установки:
1 – водохранилище (озеро) или канал; 2 – турбинный трубопровод;
3 – гидравлическая турбина; 4 – гидрогенератор; 5 – трансформатор; 6 – ЛЭП
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
7
трансформируется в механическую энергию вращения ротора. Насос,
перекачивая воду вверх по напорному водоводу в канал или в
водохранилище, преобразует эту энергию в гидравлическую энергию
давления. В этом случае ГЭУ выступает в роли насосной станции.
- ГЭУ может выполнять функции накопителя энергии
(аккумулятора). Например, в периоды снижения электрической нагрузки
(ночью или
в выходные дни) ГЭУ работает по схеме насосной станции и
трансформирует электрическую энергию в механическую энергию давления
воды, создавая тем самым ее запасы. Эти запасы используются по схеме ГЭС
для производства электроэнергии. Такой тип ГЭУ называется
гидроаккумулирующей электростанцией (ГАЭС).
- Еще одно важное свойство ГЭУ - эта их оперативность в управлении
энергетическими
процессами - для изменения параметров энергетических
потоков требуется очень небольшое время. Время управления, например,
тепловых и атомных электростанций на один - два порядка больше, чем на
ГЭУ.
- Энергопроцесс на ГЭУ характеризуется относительно малыми
потерями энергии, в среднем они составляют от 10 % на ГЭС до 25 % на НС
и ГАЭС. Это свойство ГЭУ имеет важное
значение для охраны окружающей
Среды, так как рассеивание энергии в виде тепла, отходов способствует
загрязнению природной Среды. Для сравнения - на тепловых и атомных
электростанциях доля энергетических потерь доходит до 65 %.
Экономический потенциал, т.е. экономически выгодные к
использованию гидроэнергетические ресурсы, России составляет 852 млрд
кВт. ч электроэнергии в год. К 1992 году в СНГ
экономический потенциал
гидроэнергии был использован всего на 20,6 %, а в России –на 19,6 %. В тоже
время в развитых промышленных странах использование потенциала
гидроэнергии в несколько раз больше : США - на 73,3 %, Канаде - на 42 %,
Японии - на 78 %, Италии - на 65 %, Франции - на 85 %.
Использование водной энергии началось на ранней стадии
цивилизации. Так, механическая энергия воды использовалась для вращения
водяных колес. В России для нужд промышленности были сооружены
оригинальные крупные гидросиловые установки. Например, в 1787 году на
Змеиногородском руднике была построена подземная гидросиловая
установка с водяным колесом диаметром 17 метров. Гидросиловая установка
Кренгольмской мануфактуры на р. Нарва по суммарной мощности 6000 кВт
занимала в 1890 году первое место в мире.
Россия в 1913 году по
выработке электроэнергии была на 8 месте в
мире и на 6 - в Европе. Удельный вес гидроэлектроэнергии в общей
выработке электроэнергии в России составлял 1 - 1,5 %. Крупнейшей была
Гиндукушская ГЭС на р. Мургаб мощностью 1350 кВт.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
8
Крупное гидроэнергетическое строительство в нашей стране началось в
20-е годы ХХ века. По инициативе ученых в 1920 году был составлен
государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), по которому
намечалось за 10 - 15 лет построить 30 электростанций, суммарной
мощностью 1500МВт, из них 10 ГЭС, суммарной мощностью 640МВт, что
составляло 40% к мощности всех намеченных к строительству
электростанций.
По общей мощности и выработке электроэнергии план
ГОЭЛРО был перевыполнен. В соответствии с этим планом осуществлено
комплексное использование для энергетики и речного транспорта рек
Волхова, Свири и Днепра.
Первой крупной гидроэлектростанцией в России стала Волховская ГЭС
(мощность 66МВт), которая была введена в эксплуатацию в 1926 году.
Введенная в эксплуатацию в 1932 году
Днепровская ГЭС (мощность
560МВт) - стала крупнейшей в Европе. После окончания Великой
Отечественной войны были построены более мощные ГЭС на Волге, Ангаре,
Енисее и на других реках. В 1991г. по суммарной мощности
гидроэлектростанций Россия занимала четвертое место в мире. На рубеже
90х годов крупнейшими ГЭС мира являются: Итайпу (Бразилия - Парагвай)
мощностью
12600МВт, Гури (Венесуэла) - 10300МВт, Саяно - Шушенская
6400 МВт (Россия), Грэнд - Кули (США) - 6180МВт.
В таблице В.1 представлены мощности и выработка энергии ГЭС
некоторых стран на 2000 год:
Табл. В.1
Cтрана Мощность,
млн. кВт
Выработка энергии,
млрд кВт⋅ч
США 75,5 308,8
Канада 65,7 350,0
Бразилия 56,5 301,0
Россия 43,9 167,0
КНР 72,9 212,9
Норвегия 27,4 116,3
Франция 25,0 69,6
Япония 21,4 102,6
Индия 21,9 74,3
Швеция 16,3 68,3
Италия 15,3 51,6
ГЭС и ГАЭС работают в Единой Электроэнергетической системе
страны совместно с тепловыми (ТЭС) и атомными (АЭС) электростанциями.
Гидроаккумулирующие электростанции, снимая пики электрической
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
9
нагрузки и заполняя их провалы в системе, создают условия для работы ТЭС
и особенно АЭС в наиболее экономичных равномерных режимах.
По производительности труда, рентабельности, условиям работы
эксплуатационного персонала ГЭС превосходит ТЭС и АЭС. Они имеют
более низкую удельную численность персонала и себестоимость
электроэнергии, но удельные капиталовложения по ГЭС обычно выше. Так
, в
1994 году удельная численность персонала составляла на ГЭС - 0,2 чел/МВт,
на ТЭС- 0,8 ÷ 1,8 чел./МВт., на АЭС - 0,4 чел./МВт. В аварийных и вообще
экстремальных условиях ГЭС и ГАЭС имеют определяющее значение в
поддержании живучести энергосистем.
В таблице В.2 представлены крупнейшие в СНГ построенные
(строящиеся) ГЭС и ГАЭС.
Табл. В.2
Река Наименование ГЭС Мощность, МВт
Саяно-Шушенская 6400 Енисей
Красноярская 6000
Братская 4500
Усть-Илимская 4320
Ангара
Богучанская
(достраивается)
4000
Рогунская
(достраивается)
3600
Вахш
Нурекская 3000
Волгоградская 2563
Самарская 2300
Чебоксарская 1404
Волга
Саратовская 1360
Нижне-Камская 1248 Кама
Воткинская 1000
Днепр Днепровская
(1и2 очереди)
1428
Ингури Ингурская 1300
Нарын Токтогульская 1248
Сулак Чиркейская 1000
Зея Зейская 1290
Бурея Бурейская
(достраивается)
2000
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический институт
10
Кунья Загорская ГАЭС 1200
Днестр Днестровская ГАЭС 2300
Днепр Киевская ГАЭС 225
В нашей стране основным направлением является комплексное
использование водных ресурсов для энергетики, орошения, водоснабжения и
т.д. Создаются водохозяйственные комплексы, ведущими компонентами
которых являются гидроэлектростанции.
Например, глубоководная судоходная система европейской части
России создана в основном благодаря гидроэлектростанциям. На реках Вахш,
Нарын, Сулак и Ингури основными участниками комплексного
использования водных ресурсов являются
орошение и энергетика.
Водохранилища построенных и строящихся ГЭС могут обеспечить орошение
20 млн. га., сейчас орошаются около 10 млн. гектар.
Борьба с наводнениями еще одно достоинство ГЭС. Задачи борьбы с
наводнениями и энергетического использования водотоков решаются
гидроузлами на реках Зее и Бурее. Защита городов и населенных пунктов
Китая от наводнений по данным
ученых дает ежегодно экономический
эффект в 84 млрд. долларов США.
Однако строительство ГЭС в прошлые годы привело к негативным
последствиям для природной Среды. Существовавшие в период освоения
Волги, Камы, Днепра и других рек нормативы компенсационных затрат по
изъятию под водохранилища сельскохозяйственных земель, лесных
массивов, переносу или постройке новых жилищных зданий и
т.п.
экономически оправдывали большие затопления. Во многих случаях
оказывалось неэкономичным строительство защитных дамб на мелководьях
и т. п.
В настоящее время экологическим последствиям строительства плотин
и созданию водохранилищ уделяется большее внимание и в проектах
предусматриваются специальные природоохранные мероприятия по
минимизации негативных экологических последствий. Об уменьшении
площади затоплений при создании водохранилищ
ГЭС свидетельствуют
данные таблицы В.3.
В нашей стране в 50-е годы были построены многие малые
гидроэлектростанции. Но затем в связи с развитием электрических сетей и
энергосистем эти малые ГЭС стали неэкономичными - их демонтировали или
консервировали. В настоящее время малые ГЭС могут быть построены на
более высоком техническом уровне и автоматизированы.
Их строительство
экономически оправдывается в первую очередь при существующих
плотинах, в удаленных районах, в горных условиях и т.п.
Табл. В.3